2. Выбор физического принципа и типа чувствительного элемента

Первичная информация получается с помощью чувствительного элемента, непосредственно воспринимающего измеряемую величину x и преобразующего ее в некоторый сигнал y₁ другой физической природы, более удобный для дальнейших преобразований.

Для измерения некоторых физических величин существует несколько типов чувствительных элементов, отличающихся принципами действия. Поэтому выбор типа чувствительного элемента связан с выбором физического принципа, на котором основано действие чувствительного элемента ¹.

Каждому физическому принципу свойственна определенная зависимость выходного сигнала y₁ от измеряемой величины х, а также от некоторых побочных (дестабилизирующих) факторов:

у₁ = ƒ(х, z₁, z₂,· , z_n).,

К числу факторов z₁, z₂,· , z_n могут относиться температура и давление окружающей среды, параметры режимов питания чувствительного элемента, линейные и угловые ускорения (при движении летательного аппарата в пространстве), магнитные и электрические поля и др.

При выборе физического принципа руководствуются теми соображениями, чтобы требования ТЗ по точности и надежности были реализованы с наименьшими затратами (наиболее просто) и в минимальных габаритах. С этой целью сравнивают различные чувствительные элементы по следующим основным критериям:

1. принципиальная возможность работы чувствительного элемента в заданном диапазоне измерения;

2. однозначность характеристики и ее стабильность (воспроизводимость);

3. наименьшее влияние на выходной сигнал побочных факторов;

4. достаточно большая выходная мощность;

5. высокая надежность; с этой точки зрения желательно, чтобы чувствительный элемент не содержал подвижных деталей и скользящих или разрывных электрических контактов;

6. простота конструкции и малые габариты.

Механические и электромеханические чувствительные элементы обычно имеют подвижные части, связанные с опорами или направляющими. Выходной сигнал таких элементов подвержен влиянию различных вредных сил и моментов сил, обусловленных трением в опорах и направляющих, неуравновешенностью подвижной системы, которая проявляется особенно сильно при линейных ускорениях и вибрации. Отсюда следует, что если сравниваются два чувствительных элемента (один электрический, другой механический), обеспечивающие преобразование сигналов в нужном диапазоне и обладающие близкими точностными и габаритно-весовыми характеристиками, то предпочтение следует отдать электрическому элементу, поскольку в нем отсутствуют подвижные части. Если же сравниваются два чувствительных элемента – один контактный, другой – бесконтактный, то при прочих равных условиях предпочтение отдается бесконтактному элементу.

Рассмотрим в качестве примера задачу измерения температуры в диапазоне от 0 до 150° С, для которой в соответствии с [1] – Асс Б.А.Жукова Н.М., “Детали и узлы авиационных приборов и их расчет. М., Машиностроение, 1966, 416с., [9] – Браславский Д.А., Приборы и датчики ЛА., М., Машиностроение, 1970, 392 с. имеется семь видов чувствительных элементов: дилатометрический, биметаллический, жидкостный, газовый, парожидкостный, терморезисторный, термоэлектрический. Любой из перечисленных элементов может работать в заданном диапазоне температур, однако предпочтение следует отдать последним двум, основанным на чисто электрических принципах. Остается выбрать один из двух элементов и здесь преимущество на стороне терморезистора, поскольку термоэлектрические чувствительные элементы в диапазоне температур от 0 до 150° С развивают слишком малую термоэлектродвижущую силу.

Рассмотрим другую задачу – измерение абсолютного давления в диапазоне от 800 до 6 мм рт. ст. Здесь также существует несколько чувствительных элементов, отличающихся принципами действия [1], [9]: пьезорезисторный, тепловой, электронный, газоразрядный, радиоактивный, упругий (мембрана, сильфон, трубчатая пружина). Пьезорезисторный элемент работает в области очень высоких давлений, следующие три элемента – в области очень низких давлений. Остаются для выбора два чувствительных элемента, способные работать в заданном диапазоне: радиоактивный элемент – электрический и упругий элемент – механический.

Радиоактивный элемент несмотря на его достоинство, заключающееся в отсутствии подвижных частей, имеет слишком слабый сигнал: выходной ток равен 10 ^–9÷10 ^–16 А и его трудно измерить с высокой точностью. В данном случае наиболее приемлем механический (упругий) элемент, выходным сигналом которого может служить одна из двух величин, функционально связанных с измеряемым давлением – упругая деформация или сила.

В некоторых случаях решение вопроса о выборе чувствительного элемента не определяется однозначно возможностями физического принципа, а связано еще с уровнем технологии и совершенством конструкции существующих чувствительных элементов. Например, при измерении абсолютной угловой скорости самолета широко используют гироскоп с двумя степенями свободы, являющийся механическим чувствительным элементом, которому свойственны недостатки, связанные с наличием подвижной системы (погрешности из-за трения в опорах и неуравновешенности подвижных частей). В то же время существует чувствительный элемент аналогичного назначения, не содержащий подвижных частей, – лазерный гироскоп. Однако лазерный гироскоп уступает механическому гироскопу по габаритно-весовым характеристикам и по этой причине пока еще не нашел практического применения. Вполне вероятно, что с развитием технологии и усовершенствованием конструкций лазерных гироскопов они через какое-то время смогут заменить механические гироскопы.

При решении некоторых задач можно встретиться со случаями, когда вовсе отсутствуют чувствительные элементы, позволяющие осуществить нужное преобразование, или когда применение существующих элементов приводит к слишком грубым или громоздким решениям. В этих случаях можно прибегнуть к методу косвенных измерений, при котором чувствительный элемент воспринимает не измеряемую величину х, а некоторую другую величину x₁, связанную с х известной функциональной зависимостью:

х ₁ = ƒ₁(х), (2.1)

Уравнение (2.1) является уравнением метода измерения. При этом чувствительный элемент преобразует величину х ₁ в не­который сигнал у_1:

у₁ = ƒ₂(х₁). (2.2)

Уравнение (2.2) является характеристикой чувствительного элемента.

По уравнениям (2.1) и (2.2) нетрудно найти зависимость у₁ от х:

у₁ = ƒ₂[ƒ₁(x)] = ƒ(x)

Примером прибора, основанного на методе косвенных измерений, служит барометрический высотомер, в котором в качестве уравнения метода измерения используется известная функциональная зависимость атмосферного давления р от высоты полета Н.

Встречаются случаи, когда метод косвенных измерений дает зависимость измеряемой величины х не от одной, а от нескольких независимых переменных х₁,.., х_к, каждая из которых может быть измерена своим чувствительным элементом. Например, для измерения плотности воздуха ρ можно воспользоваться известной формулой, выражающей зависимость ρ от двух независимых переменных – давления р и температуры Т.